洛蘭島利用可再生能源生成氫

　　利用氫的舉措在全球多個國家開始出現(xiàn)熱潮。比如在率先展開行動的歐洲，利用可再生能源的剩余電力生成氫的做法受到關(guān)注。而美國則從保障國家安全的角度出發(fā)，為降低能源對海外的依賴，開始構(gòu)筑氫基礎(chǔ)設(shè)施。

　　氫的利用與燃料電池的普及大幅相關(guān)。全球各地開始探索符合地區(qū)特性的氫利用手法（圖1）。尤其是在歐洲，氫的利用作為利用可再生能源剩余電力的有效手段受到了矚目。

圖1：關(guān)于氫的世界動向

　　全球開始圍繞氫利用大展身手。

　　在歐洲，可再生能源比例正在快速提高。例如，德國計劃2030年把可再生能源在總發(fā)電量中所占的比例提高到50％。丹麥提出了2050年之前擺脫化石燃料的目標(biāo)，可再生能源的比例與德國一樣，計劃2035年之前提高到50％。

　　因此，在歐洲，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等輸出變動較大的可再生能源的比例越來越高，如何利用剩余電力成為課題。比如在德國，剩余電力就無法定價出售，所以構(gòu)筑采用剩余電力的新業(yè)務(wù)模式頗為重要。

　　于是，歐洲陸續(xù)啟動了利用剩余電力電解水生成氫，然后以多種形式利用氫的實證試驗。

　　本文邀請撰寫氫基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)查報告《世界氫基礎(chǔ)設(shè)施項目總覽》的單位——日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所，來介紹一下在氫利用方面采取了先進措施的丹麥、德國和美國的事例。

　　丹麥，將介紹2007年啟動實證試驗的洛蘭島氫項目案例。德國，將介紹通過用剩余電力生成的氫和CO2制造甲烷（CH4），旨在實現(xiàn)零碳社會的案例。

　　另外，美國從保障國家安全的角度出發(fā)，為降低對化石燃料的依賴，開始構(gòu)筑氫基礎(chǔ)設(shè)施。本文將介紹率先致力于普及燃料電池車（FCV）的加利福尼亞州的案例。

　　丹麥：洛蘭島氫項目利用可再生能源生成氫

　　丹麥提出了2050年之前擺脫化石燃料的目標(biāo)，目前，以風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電為中心，該國的可再生能源在供電中所占的比例已經(jīng)達(dá)到約30％。另外，最近幾年還迅速導(dǎo)入了光伏發(fā)電?，F(xiàn)在，容易受天氣影響的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在系統(tǒng)電力中所占的比例提高到了20％左右。

　　丹麥政府計劃確立2035年之前把風(fēng)力發(fā)電等輸出變動較大的可再生能源在供電中所占的比例提高到50％。其實，盛行風(fēng)力發(fā)電的洛蘭島已經(jīng)啟動了氫項目驗證實驗，利用氫作為儲藏風(fēng)力發(fā)電剩余電力的介質(zhì)。具體做法就是，利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的剩余電力電解水制造氫，然后將氫儲藏在氫氣罐中。反之，當(dāng)電力供應(yīng)不足時，則利用儲藏的氫讓燃料電池發(fā)電，使用電力和廢熱。

　　已推進到第三階段

　　洛蘭島氫項目于2007年5月啟動，實驗基地位于洛蘭島最大的城市納克斯考以南5km遠(yuǎn)的Vestenskov地區(qū)。在遠(yuǎn)離居住區(qū)的沿海空地上，設(shè)置了水電解裝置以及壓縮該裝置生成的氫進行儲藏的氫燃料罐（圖2）。生成的氫還會導(dǎo)入住宅中，通過住宅內(nèi)的燃料電池發(fā)電，提供電力和熱。

圖2：通過電解水制造和儲藏氫

　　丹麥Vestenskov設(shè)置了水電解裝置以及壓縮電解的氫進行儲藏的儲氫罐。（攝影：日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所）

　　不過，由于還沒有利用氫的能源系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且居民覺得氫危險的觀念根深蒂固，因此該項目是分階段實施的，現(xiàn)在正向第四階段邁進。

　　在2007年剛剛啟動的第一階段，并沒有在住宅中設(shè)置燃料電池系統(tǒng)。而是先把燃料電池、用于將發(fā)電電力轉(zhuǎn)換成交流的逆變器，以及廢熱回收裝置收納在玻璃柜中，方便市民參觀。

　　在從2008年開始的第二階段，在普通住宅的5戶家庭里設(shè)置了冰箱大小的燃料電池系統(tǒng)實際進行使用。采用額定輸出功率為1.5kW的固體高分子型燃料電池（PEFC）。

　　從2011年開始的第三階段，設(shè)置燃料電池系統(tǒng)的住宅數(shù)量增加到了35戶，其中約一半家庭為改良型燃料電池系統(tǒng)。開發(fā)該燃料電池的是丹麥的風(fēng)險企業(yè)IRD Fuel Cells。系統(tǒng)價格目前為10.9萬克朗。

　　IRD Fuel Cells的產(chǎn)品以燃料電池組為主，另外還自行制造MEA（膜電極組件）（圖3）。隔膜采用石墨，電解質(zhì)膜采用碳化氫類高分子。以氫為燃料時的發(fā)電效率約為45％，把廢熱作為70℃的熱水使用時的綜合熱效率達(dá)到94％。耐久性已實際達(dá)到2萬小時，確立了4萬小時穩(wěn)定工作的眉目（IRD Fuel Cells）。

圖3：第三階段利用的燃料電池系統(tǒng)

　　第三階段利用的燃料電池系統(tǒng)是IRDFuel Cells公司生產(chǎn)的（a）。從MEA到燃料電池組均由該公司自主制造（b）。（攝影：日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所）

　　第三階段以前一直以與現(xiàn)有區(qū)域供熱系統(tǒng)的聯(lián)動為目標(biāo)，在遠(yuǎn)離住宅的場所設(shè)置電解水裝置。從此處利用專用管道把氫輸送到住宅中。從2013年底開始啟動的第四階段，將在約1萬戶住宅中設(shè)置內(nèi)置小型水電解裝置的燃料電池系統(tǒng)。以無法利用區(qū)域供熱系統(tǒng)的住宅為目標(biāo)，制氫時的廢熱也以熱水的形式儲藏在住宅內(nèi)的罐中。雖然燃料電池系統(tǒng)的價格升高了，但無需從住宅外鋪設(shè)氫管道，施工費低。

　　丹麥為擺脫對化石燃料的依賴，將從2015年開始禁用供暖用煤油鍋爐。使用電解水生成的氫的燃料電池系統(tǒng)在利用剩余電力的同時，還有望取代煤油鍋爐。

　　據(jù)IRD Fuel Cells公司介紹，從電解水生成氫，到利用燃料電池發(fā)電的效率為37％。不過，通過回收這一系列過程中產(chǎn)生的廢熱，綜合效率可以提高到85％。另外，第三階段以前的驗證實驗使用的氫管道采用鋼制造，在保證安全性的前提下，第四階段預(yù)定使用樹脂管道。

　　力爭使設(shè)置價格降到6萬克朗以下

　　筆者拜訪了參加第三階段驗證實驗的一戶住家。這戶人家位于郊外，不在區(qū)域供熱服務(wù)的范圍內(nèi)，此前一直是設(shè)置煤油鍋爐，用來供應(yīng)熱水和供暖。這家住戶滿意地表示，改用燃料電池后，排出的廢氣清潔了。嚴(yán)冬時節(jié)的暖氣會供給足量的熱水。

　　在丹麥，如果住宅內(nèi)沒有電力需求，只需要熱水，燃料電池發(fā)電的電力可以出售。氫管道一直埋設(shè)到住宅地下，在住宅內(nèi)從天花板連接到燃料電池系統(tǒng)上（圖4）。為防備萬一出現(xiàn)氫泄露，在鄰近天花板的墻壁上設(shè)置了換氣口，房頂背面安裝有氫傳感器。

圖4：從天花板設(shè)置氫管道

　　氫管道一直埋設(shè)到住宅地下，在住宅內(nèi)從天花板連接燃料電池系統(tǒng)。（攝影：日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所）

　　在該住宅內(nèi)設(shè)置并運行燃料電池系統(tǒng)的，是丹麥大型電力零售商SEAS-NVE公司。如果基于燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)普及，電力銷量就會減少，不過要是家用燃料電池早晚都會普及，那我們就率先開展設(shè)備的銷售和設(shè)置業(yè)務(wù)（該公司的項目開發(fā)負(fù)責(zé)人）。

　　在第三階段的驗證實驗中，設(shè)置資金由政府全額補助，包括施工費在內(nèi)，每戶約花費13萬克朗。該公司認(rèn)為，如果銷售和設(shè)置價格能降到6萬克朗以下，不依賴補助金也能實現(xiàn)普及。（作者：金子 憲治，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）